Ионное произведение воды. Водородный показатель. Шкала рН и рОН. Задачи по теме

ИОННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВОДЫ

Одним из наиболее часто используемых растворителей является вода, поэтому при различных расчетах используется ионное произведение воды.

Вода является очень слабым электролитом, но тем не менее ее молекулы также диссоциируют на ионы. Рассмотрим обратимую реакцию (реакция автопротолиза воды):

НОН « Н+ + ОН- или НОН + НОН = Н3О+ + ОН-

Н3О+ - ион гидроксония.

или ; Кд = 1,86∙10-16.

Найдем ионное произведение воды.

[Н+][ОН-]= KW = Kд[НОН]; [HOH] = 1000/18 =55,5 моль/л.

[Н+][ОН-]= 1,86∙10-16 ∙55,5=10-14.

[Н+][ОН-]= 10-14

lg[H+] + lg[ОН-] = -14

-lg[H+] - lg[ОН-] = 14

Отрицательный логарифм некоторой величины М в химии принято обозначать рМ, где М – концентрация тех или иных ионов без указания их заряда, некая константа и т. д.

рН + рОН = 14.

В чистой воде, не содержащей растворенных веществ, [H+] = [ОН-].

[Н+] = [ОН-] = 10-7; [H+]2 = 10-14; [H+] = 10-7 и рН = 7.

рН – называют «водородным показателем». Зная рН раствора, легко найти его рОН и наоборот.

Тогда. Следовательно в водных растворах для нейтральной среды рН = 7. Тогда шкала рН в водных средах имеет вид

Рис.. Шкала рН в водных растворах.

Это не значит, что рН кислых растворов не может быть меньше нуля, а щелочных – больше 14. Возможно и то, и другое. В сильнокислых средах рН < 0, в щелочных – рН > 14.

Если растворитель – этиловый спирт то

2 С2Н5ОН « С2Н5ОН2+ + С2Н5О-

этаксоний-ион этаксил-ион

Кд = .

Ионное произведение сольвата [С2Н5ОН2+][С2Н5О-] = 10-19.

[С2Н5ОН2+] = [С2Н5О-] =

0______ _____9,5____ ______19.

Если в качестве растворителя используется аммиак, то

2 NH3 « .

KS = 10-33

0______ _____16,5____ ______33.

10. Буферные растворы. Буферная емкость. Задачи по теме.

БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ

Величина рН, характеризующая кислотность или щелочность среды, имеет большое значение в аналитической химии. рН влияет на концентрацию веществ в растворе, на скорость химических реакций, т.е. на точность анализа. В отдельных случаях введение кислоты или щелочи резко изменяет значение рН, что негативно сказывается на ходе анализа. При введении этих растворов необходимо использовать буферные смеси, которые поддерживают значение рН в определенных пределах при введении кислоты или щелочи в раствор.

В качестве буферных растворов, применяемых в анализе, используют::

- смесь уксусной кислоты и ее соли - ацетата натрия (СН3СООН и СН3СООNa). Это ацетатная буферная смесь;

- смесь водного раствора аммиака и хлорида аммония NH4OH и NH4Cl - аммонийная буферная смесь;

- смесь дигидрофосфата натрия NaH2PO4 и гидрофосфата натрия Na2HPO4 - фосфатная буферная смесь.

Способность буферных систем поддерживать постоянство рН при добавлении к ним небольших количеств сильной кислоты или сильного основания основана на том, что одна составная часть буферной системы может взаимодействовать с ионами Н+ кислоты, а другая – с ионами ОН– прибавляемого основания. Вследствие этого буферная система может связывать как катионы водорода, так и гидроксид-анионы приливаемых кислот и оснований и до определенного предела сохранять постоянство величины рН.

Например, если к ацетатной буферной системе приливать сильную кислоту (НС1, H2SO4, HNO3), то пойдет реакция между ацетат ионом и ионами водорода кислоты, что можно выразить уравнением:

CH3COONa + HC1 ÞСН3СООН + NaCl

СН3СОО– + Н+ ÞСН3СООН

Сильная кислота (НС1 или H2SO4) замещается слабой уксусной кислотой, посылающей в раствор ничтожно малое количество ионов водорода.

При добавлении же к ацетатной буферной системе сильной щелочи (NaOH, КОН) пойдет реакция нейтрализации уксусной кислоты сильным основанием: >

СН3СООН + NaOH Þ CH3COONa + Н2О

Н+ + ОН– Þ Н2О

В том и другом случае в растворе существенно не изменяются концентрации ни Н+, ни ОН– ионов.

В аммиачной буферной системе протекают следующие реакции.

При добавлении сильной кислоты идет нейтрализация раствора аммиака кислотой:

NH4OH + HNO3 Þ NH4NO3 + H2O

ОН– + Н+ Þ Н2О

При добавлении сильного основания (NaOH, KOH) идет реакция обмена между солью и сильным основанием с образованием слабого основания NH4OH:

NH4С1 + NaOH Þ NH4OH + NaC1

NH4+ + ОН– Þ NH4OH

Способность буферных систем сохранять постоянство рН определяется его буферной емкостью. Она определяется числом моль-эквивалентов сильной кислоты или сильного основания, которое необходимо добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить его рН на единицу.

Буферная емкость тем больше, чем выше концентрация компонентов буферной смеси. По мере добавления к буферному раствору кислоты или щелочи устойчивость раствора к изменению рН постепенно уменьшается вследствие уменьшения концентрации одного из компонентов. Чтобы действие буферной системы было достаточно эффективным, т. е. чтобы буферная емкость раствора изменялась не слишком сильно, концентрация одного компонента не должна превышать концентрацию другого компонента больше чем в 10 раз.

Буферные системы широко и разносторонне используются в аналитической химии. Состав буферных систем довольно разнообразен, поэтому имеется их широкий выбор.Для создания и поддержания величины рН к исследуемому раствору добавляют ту или иную буферную смесь. Так, аммиачная буферная система используется для осаждения гидроксида алюминия, который при применении чистого раствора аммиака частично растворяется в его избытке.

Ацетатный буферный раствор используется при осаждении ионов бария дихроматом калия в присутствии ионов стронция и кальция.

Многие аналитические реакции с органическими реактивами, характеризующиеся образованием окрашенных соединений, проводятся при строго определенной величине рН. Например, при обнаружении катиона Ni2+ диметилглиоксимом (реактив Чугаева) используется ацетатная буферная система с рН= 5.